Energiamajandus (0)

Energiamajandus
Kaasaeg ja tulevik
Energiamajanduse põletavamad probleemid
·Energiatarbe kiire kasv
·Kvalitatiivselt kõrgemal tasemel oleva energia
vajaduse kasv
·Ressursi ja tarbimise ebaühtlane jaotus
·Traditsiooniliste energiaressursside ammendumine
·Energiajulgeolek
(varustuskindlus)
·Keskkonnaprobleemid
Maailma energiatarbe prognoos
Maailma primaarenergia tarbe kasv 1980-2030
(miljardit tonni naftaekvivalendina)
Globaalse energiatarbe rahuldamiseks
kasutatavad energiaallikad
Elektrienergia tootmine maailmas
Süsi, nafta, gaas 10934
Hüdroenergia 2759
Tuumaenergia 2615
Geotermaalne, tuul, päike, puit, jäätmed 341
Kokku 16650 miljardit kWh
Elektrienergia tootmine maailmas energiaallikate lõikes (mlrd. kWh)
Hubbert'i kõver e. Peak Oil teooria
Hubbert'i teooria põhineb sellel, et maavara hulk
on lõplik, selle varude ammutamine toimub algul
kiirenevas tempos, aga vastavalt varude
kahanemisele muutub maavara kättesaamine üha
raskemaks ning kallimaks.
Maavarade
ammutamine
järgib üldjoontes
varude avastamist,
aga ajalise
nihkega (u. 35
aastat), mis kulub
tehnoloogia
arendamisele.
Globaalne fossiilkütuste varu
Teadaolevad varud:
Nafta 1 050691-1 277 702 mlrd. barrelit (e. 167-203 km³)
Gaas 171,040 to 192,720 km³ (1,239 mlrd. BOE)
Süsi 1 191 906 milj. tonni (4,786 mlrd. BOE)
Ööpäevane voog (tootmine):
Nafta 77 milj. barrelit/d (12.3 mlrd m3)
Gaas 47 milj. BOE/d
Süsi 52 milj. BOE/d
Võimalik tootmisperiood vastavalt optimistlikumale
teadaolevate varude prognoosile (Oil & Gas Journal, World Oil):
Nafta 1,277,702/77/365= 45 years
Gaas 1,239,000/47/365= 72 years
Süsi 4,786,000/52/365= 252 years
Energiatarve sektorite lõikes
Kodumaja-
pidamine Äri (küte,
(küte, elekter,
Tööstus
elekter jm.) veevärk)
(sh.
11% 5%
põllumajan-
dus, ehitus)
37%
Transport
20%
Kaod
energia
ülekandel ja
tootmiseks
27%
2 TW elektrienergia genereerimiseks kulub ligi 5 TW energiat, kuna maailmas
on elektrijaamade keskmiseks kasuteguriks 38%
Heaolu sõltuvus energiatarbest
Tarbimisühiskond on otseses sõltuvuses tarbitavast energiast,
heaoluühiskond võib endale lubada juba madalamat energiatarvet
Energiatarbimine ja inimarengu indeks
Energiapoliitika
Peamised küsimused:
Millises ulatuses on tagatud energeetiline sõltumatus
Milliseid on tulevikus kasutatavad energiaallikaid ja
kuidas energiat tarbitakse (sektorite lõikes)
Millised on energiamajandusega kaasnevad mõjutused
keskkonnale
Vahendid:
maksud, subsiidiumid, standardid, seadused
Kaasnevad probleemid:
* energia säästmine ja hind versus
konkurentsivõime säilitamine
* turumoonutused subsiidiumite, maksustamise ja
globaliseerumise tõttu
Subsiidiumid ja maksustamine kohalikul
(riik, majandusühendus jmt.) tasemel
· Valitseb eeskätt sektoraalne lähenemine (energiasektori keskne).
Toob kaasa äriringkondade keerukad mahhinatsioonid ja pakkumine/nõudmine
tasakaalu rikkumise tõttu hinnatõusud teistes sektorites (nt. toiduainetööstus)
Nt. biokütuste toetamine - toiduainete hind tõuseb;
· Prioriteetide seadmine (keskkond, tootmine, kohaliku ressursi kasutamine)
Luuakse soodustusi vastavalt prioriteedile ja makstakse kaudselt osa kuludest
kinni (nt. põlevkivi kaevandamisel põhjavee rikkumine; taastuvenergia toetused)
Nt. CO2 sidumine ­ fossiilste kütuste põletamisel tekib CO2 ja vabaneb energia,
CO2 sidumisel (CO32- jm) kulub energiat
Globaliseerumine e. avatud turg
· "Räpase" tooraine kasutamine
Madalama elatustasemega riikides on tööjõu- ja keskkonnakaitse-
kulud madalamad, toodetav tooraine seeläbi odavam (süsi, uraan,
nafta jmt), samas taastoodetakse piirkonnas vaesust ning rikutakse
keskkonda, mis kahjustab kohaliku kogukonna edasise arengu
väljavaateid (ressurss ammendatud, elukeskkond ja tervis rikutud)
Nt. Kagu-Aasias suurendatakse õlipalmiistandusi troopiliste vihmametsade ja
toiduainete tootmiseks kasutatavate alade arvel, aga riisikasvatuspindasid ei
jätku ja toiduhinnad tõusevad, vaesus ning sotsiaalne ebavõrdsus suureneb
Globaliseerumine e. avatud turg
· Kõlvatu konkurents
Kasutades erinevate piirkondade (maj. ühenduste) maksustamis-
(subsideerimisskeeme) saadakse topelttulusid ja lüüakse kohalik
turg segamini.
Nt. Biodiisli tootjad USA-s saavad kohalikku keskkonnakaitselist toetust ja
eksporditoetust (0.2 EUR/l), Euroopasse tuues (Hispaania, Saksamaa) veel
lisasoodustusi biokütuste müümisel (aktsiisist vabastus 0.278 EUR/l). Selle
tulemusena toodi USA-st Hispaaniasse 150 000 t (ligi 50% turumahust) ja
Saksamaale 1 milj. t biodiislit.
CO2 kvoot - Eestis toodetakse puidugraanuleid, briketti ja puusütt, see
eksporditakse teistesse EU riikidesse, kus müüakse taastuvenergiaallikana ja
saadakse nii maksusoodustusi õhusaaste vähendamise arvelt kui tulu
kokkuhoitud CO2 kvoodi pealt.
Euroopa Liidu eesmärgid CO2 osas
EL liikmesriikide poolt
seatud eesmärgid CO2
emissiiooni
kahandamiseks.
Baasaastaks on 1990.
2005.a. saavutatud
kahanemine,
eesmärk aastaks 2010
riiklik eemärk
emissioonikaubandu-
sega katamata sektorite
osas 2020 aastaks
Euroopa Liidu eesmärgid taastuvenergia osas
Taastuvenergia osakaal
energiasektoris 1994, 2005 ja
eesmärk 2020 aastaks
Konventsionaalsete energiatehnoloogiate
edasiarendused
Maavarade efektiivsem ammutamine
Tuumaelektrijaamade III, III+ ja IV
põlvkond
Energia tootmine jäätmetest (biogaas
prügilates, heitveepuhastites jt.)
Heitmete kahandamine, taaskasutamine,
neutraliseerimine
EOR (Enhanced Oil Recovery)
Meetod (ammenduvate) naftaväljade tootlikkuse suurendamiseks.
Kui tavapärase pumpamise abil on võimalik ammutada 20-40%
maardla naftavarudest, siis selle meetodi abil 30-60% kogu varust.
· Gaasi lisamine: kõige levinum meetod, kus naftamaardlasse pumbatakse CO2,
maagaasi või lämmastikku. Gaas suurendab rõhku ja parandab nafta voolavust,
mistõttuammutamiskiirus ja puurtornide toodang suureneb.
· Termiline meetod: kasutatakse erinevaid meetode nafta temperatuuri
tõstmiseks, et suurendada selle voolavust
· Keemiline meetod: kõige vähem levinud ja selle käigus pumbatakse
maardlasse polümeere, mis suurendavad voolavust või lisatakse
detergendilaadseid ühendeid (nt. rhamnolipiidid), et vähendada pindpinevust ja
kapillaartõusu, et nafta paremini voolaks.
EOR meetodite kasutamine lisab barreli hinnale 0.5-8$ ühe tonni lisatava
CO2 kohta, hinnatasemel 90 US$/barrel võib seeläbi kasum ulatuda 70
US$/1 t CO2 lisandi kohta.
Keskkonnale tähendab 1t lisatud CO2 abil pumbatava nafta põletamine 3t
CO2 lisandumist.
Elektrienergia tootmise meetodid
Soojuselektrijaamad:
Tuumaeenergetika
Fossiilsete kütuste põletamine (nafta, gaas, süsi jt.)
Geotermaalenergial põhinev
Jääkenergia (prügimäed, heitvesi, metallurgia)
Taastuvenergial soojuselektrijaamad:
Biomassielektrijaamad
Taastuvatel energiaallikatel põhinevad:
Päikeseenergia
Hüdroenergia
Laineenergia, tõusu-mõõnalaine energia
Tuuleenergia
CO2 kahandamine
Keskkonnakaitselisest seisukohast lähtuvalt on energeetikasektori
tähtsaimaks eesmärgiks õhusaaste ja eriti CO 2 emissiooni kahandamine.
Nt. USA-s pärineb üle 90% CO2 emissioonist fossiilsetest kütustest.
Uued tehnoloogiad fossiilsetel kütustel
töötavate jõujaamade jaoks
Fossiilse kütusega töötav jõujaam ei saa kunagi olla päris CO 2 saastevaba.
Sõltuvalt tehnoloogiast on maksimaalne teoreetiline piir 85-98% vahel.
Kahandamise võimalused:
CO2 pumpamine maaalustesse tühimikesse (gaasimaardlad, kaevanduskäigud,
soolalademed);
CO2 eraldamine heitgaasidest, keemiline sidumine ja ladestamine.
USA-Norra ühisprojekt nägi ette 275 MW võimsusega Mongstad
kivisöelektrijaama puhul 90% CO2 emissioonist maa alla pumbata.
Mongstad
kivisöel töötav
soojuselektri-
jaam
CO2 kahandamise meetodid
3 meetodit söeelektrijaamade CO2 püüdmiseks
Põletamisjärgne ­ tavalise jõujaama heitgaasid suunatakse kuni 50m kõrgustesse
absorbertornidesse, kus keemiliste protsesside käigus (reaktiiviks amiinid)
seotakse 85-95% CO2-st. Seejärel absorbermaterjal suunatakse desorberisse, kus
lisaenergia abil saab CO2 kätte, see veeldatakse kõrge rõhu all ja ladestatakse
mujal. Katsetatakse nt. Taanis Esbjergis. Efektiivsus kokkuvõttes siiski väike ja
kütusekulu suureneb 10-35%, aga peaaegu ainus meetod olemasolevate
jõujaamade jaoks.
Põletuseelne ­ kivisüsi eelnevalt gaasistatakse, mille käigus saadakse peamiselt
CO ja H2. Gaasistamine toimub veeauru ja hapnikuga küllastatud keskkonnas 650-
2000°C temperatuuri ja 100 baarilise rõhu juures. Seejärel gaasisegu suunatakse
veelkord aurugeneraatorisse, mille käigus saadakse CO2 ja H2, millest eraldatakse
CO2 ning H2 läheb põletamisele. Meetodi eeliseks on see, et saab ehitada
suhteliselt väikesi jõujaamasid. Põhilised arendajad on Saksa firmad RWE ja Eon.
Oxyfuel ­ kütus põletatakse õhu asemel puhtas hapnikus, mistõttu heitgaasides
puudub N ja sisaldub vaid CO2 ning veeaur. Veeaur kondenseeritakse ja järgi jääb
heitgaasis vaid CO2. Tehnoloogiat edendab Vattenfall ja eeliseks on, et kätte
saadakse kuni 98% CO2, aga puuduseks on suures koguses hapniku tootmise
keerukus, energiamahukus ja seadmete kõrge hind.
CO2 ladestamine maa all
CO2 ladestamine
maaalustesse
õõnsutesse on
efektiivne
lähedalasuvate
gaasi- ning
naftamaardlate või
sügaval paiknevate
isoleeritud
soolalademete
esinemisel.
Samas CO2
eraldamine ja
transport on ise
energiamahukad ja
füüsikalises mõttes
efektiivsus küsitav
Tuumaenergeetika
1934 avastas Enrico Fermi, et kui uraani neutronitega pommitada, siis
uraani aatomid lõhustuvad ning lõhustumise käigus vabaneb energia.
Esimene tsiviilotstarbeline tuumaelektrijaam (5 MW võimsusega) valmis
1954. aastal Nõukogude Liidus Obninskis. Lääne allikates mainitakse
Obninski tuumaelektrijaama väga harva kui esimest tuumaenergia
rahuotstarbelist rakendust, sest ta oli võimeline vajadusel tootma ka
sõjalistel eesmärkidel kasutatavat plutooniumit.
Tuumaelektrijaamades toodetakse
17% kogu maailma elektrienergiast.
Suurim tuumaenergia osakaal kogu
elektrienergiatoodangust on
Prantsusmaal (~78%)
Leedu (~70%)
Slovakkia ja Belgia (~55%)
Rootsi (~50%)
USA (~20%)
Tuumaelektrijaamade paiknemine
Kokku on maailmas kasutusel 439 kommertstuumaelektrijaama 30-s riigis.
Lisaks sellele on kasutusel 284 õppereaktorit 56 riigis ning umbes 220
reaktorit on paigutatud laevadele või allveelaevadele.
Tuumaelektrijaamade tüübid
· 4 tuumareaktorite põlvkonda
* I põlvkonda enam ei kasutata ja IV veel lähema 15 aasta jooksul
tootmisküpseks ei saada.
* Töös on enamasti II põlvkonna ja üksikud III põlvkonna reaktorid.
II põlvkonna reaktorite tüübid (arvukuse järgi):
* surveveereaktor PWR ja WWER
* keevveereaktor BWR
* surveraskeveereaktor PHWR või CANDU
* täiustatud gaasjahutusega reaktor AGR
* kergevee grafiitaeglustiga reaktor RBMK
* kiire reaktor FBR
Väljaarvatud FBR, on kõik ülejäänud aeglastel neutronitel töötavad
reaktorid, mis kasutavad tuumkütusena peamiselt looduslikku või 235U
suhtes väherikastatud uraani ja osaliselt reaktori töötamisel 238U
neutronkiiritamisel tekkivat plutooniumi. Sellega kasutatakse kogu uraanis
sisalduvast lõhustumisenergiast ära ainult 1-2 %.
Surveveereaktor PWR
Tavaline vesi reaktoris ja
esmases jahutussüsteemis
temperatuuril ~ 325°C ja
rõhul ~ 150 at toimib nii
soojuskandja kui ka
aeglustina. Kõrge rõhk,
mida hoiab aur erilises
survepaagis, takistab vee
keemist esmases kontuuris.
Aurugeneraator mis tekitab
turbiini käitava auru
teiseses madalama rõhu all
töötavas jahutuskontuuris,
asub tavaliselt samuti
kaitsekestas.
Enam kui 260 reaktoriga on PWR levinuim (Venemaal nimetatakse WWER).
Elektriline võimsus varieerub piirides 300-1500 MWe.
Suure võimsusega PWR reaktori südamikus võib olla 150-250 vertikaalselt
asetatud kütusekomplekti, millest igaühes on 200-300 kütusevarrast. Kokku
on reaktoris seega 80-100 tonni 3,5-5 % 235U suhtes rikastatud tuumkütust
Keevveereaktor BWR
Maailmas töötab üle 90 keevveereaktori võimsustega kuni 1300 MWe ja see on
levikult teine reaktoritüüp. Töötavad USA-s, Jaapanis, Rootsis.
Erinevalt PWR-st on selles reaktoris ainult üks madalama ~ 75 at veerõhuga
jahutuskontuur. Sellisel rõhul keeb vesi ~ 285 °C juures juba reaktorisüdamikus
ja südamiku ülaosas on 12-15 % kogu veest auru kujul. Sellise reaktori
kasutegur väiksem kui PWR reaktoril.
Surveraskeveereaktor PHWR või CANDU
Madalal temperatuuril ja rõhul aeglusti
paikneb suures kalandriks nimetatavas
paagis, mida läbistab mitusada
horisontaalset survetoru. Aeglusti rasket
vett jahutatakse eraldi soojusvaheti abil,
seega on ka siit võimalik vähesel määral
soojust toota. Igas survetorus paikneb
otsakuti 12 kütusekomplekti ja seda läbib
esmase kontuuri jahutusvesi. Esmase
jahutuskontuuri raske vesi survetorudes
on kõrge rõhu all kuni 290 °C ulatuval
temperatuuril ja ringeldes läbi
aurugeneraatori, tekitab nagu PWR
reaktoris teises kontuuris auru, mis
omakorda käitab turbogeneraatori.
Maailmas on 44 seda tüüpi umbes 500 MWe keskmise võimsusega reaktorit
(Kanada, India). CANDU eelis on võimalus kasutada looduslikku uraanoksiidi
(0,7% 235U) tuumakütusena tänu raske vee D2O suurepärastele
aeglustiomadustele. Jääb ära kulukas uraanirikastusprotsess, kuid samas tuleb
rikastada aeglustimaterjali. Kuna üksikuid survetorusid saab igaüht eraldi
süsteemist välja lülitada, saab tuumkütust vahetada reaktori töötamise käigus ja
selleks pole vaja reaktorit seisata.
Täiustatud gaasjahutusega reaktor AGR
Ühendkuningriigis väljatöötatud ja ainult seal kasutatav reaktoritüüp elektrilise
võimsusega 550 ­ 625 MWe. Kasutab rikastatud (2,5-3,5 % 235U) uraanoksiidist
tuumakütust ja soojuskandjana süsinikdioksiidi (CO 2). Tuumakütus paikneb
tablettidena vertikaalsetes roostevabast terasest torudes grafiitaeglustis.
Reaktorianum toimib ühtlasi kiirguskaitsena, on valmistatud raudbetoonist ja
selles asuvad ka aurugeneraatoritorud. CO2 soojuskandjana läbib
reaktorisüdamiku, kuumeneb temperatuurini kuni 650°C ja läbib seejärel
aurugeneraatori, kus veest tekitatakse aur teises kontuuris.
Tuumakütuse tsükkel
Eesti tuumaressurss
Eestis leidub tuumakütuse tootmiseks kõlbikku uraani, kuid
see on madala kontsentratsiooniga, raskesti kaevandatav, väga
suure keskkonnamõjuga ja pigem teoreetilist laadi maavara.
Kõige rikkam on uraani poolest Põhja-Eesti graniit, kus
parimates kohtades on U kontsentratsioon kuni 928 g/t, Ida-
Eesti diktüoneemakildas aga maksimaalselt 304 g/t, samas on
selle kihi maksimaalne paksus kõigest 1 meeter. Loode-Eesti
suunas on diktüoneemakildas uraani kontsentratsioon
madalam, aga kihi paksus ulatub 6 meetrini.
Toolse maardla varusid peetakse 27 149 t vääriliseks. Kui
aastas kaevandada 2 milj. t kilta, siis saab selle baasil toota
200 t uraani. Sellest saadav energiakogus võrdub 600 milj. t
nafta põletamisega.
Reaalselt tähendaks aga Eestisse tuumajaama rajamine seda,
et rikastatud tuumakütus tuleb importida ja kasutatud
tuumajäätmed vaheladustada ning hiljem lõppladustada.
Lõppladustamispaiga ehitamine on väga kallis, seni pole veel
maailmas ühtegi lõppladustuspaika valminud.